Holografie

Zwei Ansichten eines einzigen Hologramms aus verschiedenen Blickwinkeln

Unter Holografie (auch Holographie, von altgriechisch ὅλος holos, deutsch ‚ganz‘, ‚vollständig‘ und -grafie) fasst man Verfahren zusammen, die den Wellencharakter des Lichts ausnutzen (und zwar seine Interferenz- und Kohärenz-Möglichkeiten), um systematisch anschauliche Darstellungen zu erzielen, die über die Möglichkeiten der klassischen Fotografie hinausgehen (mathematisch gesehen wird ein dreidimensionaler Gegenstand aus einem zweidimensionalen Abbild seiner Fouriertransformierten rekonstruiert, wobei der Blickwinkel wichtig ist). Die Motive scheinen bei der Betrachtung frei im Raum zu schweben. Bei seitlichen Bewegungen kann dabei auch um ein Objekt herumgesehen werden und bei beidäugiger Betrachtung entsteht ein vollständig dreidimensionaler Eindruck.

Holografische Verfahren werden zunehmend auch in der Messtechnik eingesetzt, zum Beispiel in der Elektronenmikroskopie. Als Hologramm (altgriechisch γράμμα gramma, deutsch ‚Geschriebenes‘, ‚Botschaft‘), auch Speicherbild, bezeichnet man eine mit holografischen Techniken hergestellte fotografische Aufnahme, die nach Ausarbeitung und Beleuchtung mit kohärentem Licht ein echtes dreidimensionales Abbild des Ursprungsgegenstandes wiedergibt.

Die entscheidenden Ideen zur Holografie einschließlich des Begriffs wurden 1947 von dem ungarischen Ingenieur Dennis Gábor geprägt, der einen Weg zur Verbesserung von Elektronenmikroskopen suchte, zu einem Zeitpunkt, als kohärente Strahlungsquellen nicht einfach herzustellen waren, da der Laser noch nicht existierte. Für seine Arbeiten erhielt Gábor 1971 den Nobelpreis für Physik.

Die historische Entwicklung

Als „Erfinder“ der Holografie gilt der Physiker Dennis Gábor. Seine Entdeckung im Jahre 1947 sollte allerdings ursprünglich nicht dazu dienen, Objekte dreidimensional abzubilden, sondern das Auflösungsvermögen von Mikroskopen zu verbessern.

Schon 1920 wollte der polnische Physiker Mieczysław Wolfke die mikroskopische Abbildung in zwei Stufen unterteilen, indem man zuerst ein Zwischenbild mit Strahlen kurzer Wellenlänge (z. B. Röntgenstrahlen) erzeugt. In der zweiten Stufe sollte man das Zwischenbild mit normalem Licht betrachten können. Doch scheiterte die Realisierung damals an experimentellen Schwierigkeiten. Erst Dennis Gábor konnte 28 Jahre später mit einem Modellversuch zur Realisierung des zweistufigen Abbildungsverfahrens unbewusst den Grundstein zur Holografie legen. Sein besonderes Verdienst bestand darin, gezeigt zu haben, wie die Information über die Phasen des Zwischenbilds durch Überlagerung der vom Objekt ausgehenden Welle und einer Referenzwelle auf direktem Weg gewonnen und fotografisch festgehalten werden kann.

Gábor unternahm den Versuch, das Hologramm eines kleinen 2 mm² großen Dias aufzunehmen. Darauf standen die Namen dreier Physiker: Christiaan Huygens, Thomas Young und Augustin Jean Fresnel. Jedoch waren seine damaligen Möglichkeiten beschränkt, denn er musste beispielsweise eine Quecksilberdampflampe als Lichtquelle verwenden. Er musste mit Hilfe eines Farbfilters und einer Lochblende arbeiten, um die Kohärenz zu steigern, was wiederum einen enormen Intensitätsverlust zur Folge hatte. Seinen Aufnahmeaufbau bezeichnet man als „In-line-Methode“, da sämtliche Elemente in einer Reihe aufgebaut werden. Dabei verwendete er nur einen einzigen Lichtstrahl. Er arbeitete noch ohne Referenz- und Objektwellen. Das von ihm verwendete Dia war mit Ausnahme der schwarzen Buchstaben transparent. Das Licht wird an den Buchstabenrändern gebeugt, der kohärente Hintergrund, der Interferenzen erst ermöglicht, stammt von den transparenten Bereichen.

Das Ergebnis war weniger befriedigend, da die drei Namen des Originals nur noch schlecht zu erkennen waren und das Hologramm durch viele dunkle Flecken gestört wurde. Was ihn überraschte, war das Zustandekommen eines zweiten Bildes, das sich störend auf die Betrachtung auswirkte, da es sich mit dem eigentlichen Bild überlagerte. Dieses zweite Bild wird auch pseudoskopisches oder reelles Bild genannt, da es alle konkaven Wölbungen des Objekts konvex wiedergibt und umgekehrt alle konvexen Wölbungen konkav.

Nach dem Erscheinen seiner Forschungsarbeit 1949 und 1951 kehrte er diesem Gebiet der Forschung enttäuscht den Rücken, weil er selbst mit seinen Ergebnissen unzufrieden war.

Im Jahre 1959 erfuhr Gábor überraschend, dass es den beiden amerikanischen Wissenschaftlern Emmett Leith und Juris Upatnieks gelungen war, gute dreidimensionale Abbildungen von Objekten zu erzeugen, deren Herstellung zum größten Teil auf Gábors theoretischen Grundlagen beruhte. Sie führten das Zwei-Strahl-Verfahren ein, um das Problem des doppelten Bildes zu vermeiden. Nun konnte man das virtuelle Bild hinter dem Film getrennt vom reellen Bild vor dem Film begutachten. Als dann ein Jahr später der erste Laser von Theodore H. Maiman erfunden wurde (ein Rubinkristalllaser) und 1963 der He-Ne-Laser, begann die Renaissance der Holografie. 1963 wurden von E. Leith und J. Upatnjeks erfolgreich holografische Versuche durchgeführt. Schlagartig kam die Erfindung Gábors, für die zuvor keine Zukunft gesehen wurde, zu neuem Ansehen und zog die Interessen vor allem in den sechziger und siebziger Jahren auf sich.

1971 wurde Gábor für seine Entdeckungen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet, 23 Jahre nach der Erfindung der Holografie.

Chronologie

• 1947 entwickelte Dennis Gábor das Prinzip der Holografie, ursprünglich mit der Intention, das Auflösungsvermögen von Elektronenmikroskopen zu verbessern. Zunächst war er auf die Verwendung gefilterter Lichtquellen angewiesen und arbeitete mit dem Prinzip der In-line-Holografie.
• 1960 Erfindung des Lasers durch Theodore Maiman.
• 1963 Verbesserung der Aufnahmetechniken durch Emmett Leith und Juris Upatnieks durch Teilung der Aufnahmeanordnung in getrennten Objekt- und Referenzstrahl.
• 1964 Produktion des ersten Hologramms durch Leith und Upatnieks („Train and Bird“).
• 1965 Erfindung der Weißlichtholografie durch Juri Nikolajewitsch Denisjuk.
• 1967 Durch einen Rubin-Puls-Laser wird das erste Hologramm einer Person möglich.
• 1968 Stephen A. Benton erfindet die Regenbogen-Transmissionsholografie.
• 1971 Verleihung des Nobelpreises für Physik an Dennis Gábor für die Erfindung der Holografie.

Physikalische Grundlagen

Bei der Schwarzweißfotografie wird lediglich die Intensität des einfallenden Lichtes auf dem Film gespeichert. Bei der Farbfotografie nimmt man zusätzlich noch die Farbe, also die Frequenz des Lichtes auf.

Bei der Holografie werden nun die Phase und die Intensität gespeichert. Dies geschieht mit Hilfe der Interferenz. Um präzise Interferenzmuster zu erzeugen, verwendet man kohärentes Licht, in der Regel einen Laserstrahl, der mittels Streulinsen aufgeweitet wurde.

Aufnahme

Ablauf einer holografischen Aufzeichnung

Beleuchtet man ein beliebiges Objekt mit kohärentem Licht, wird das Licht reflektiert und gestreut. Es entsteht ein Wellenfeld, das mit den Augen wahrgenommen werden kann. Dieses Wellenfeld wird Objektwelle genannt. Die Objektwelle überlagert sich mit dem einfallenden, ungestreuten Licht (der sogenannten Referenzwelle) desselben Lasers, d. h., die Wellenfronten interferieren miteinander. Die entstehenden Interferenzmuster treffen auf eine Glasplatte oder einen Film, auf der sich eine lichtempfindliche Schicht befindet. Die Schicht reagiert nur auf die Intensität des Lichtes, durch die Interferenz der Wellenfronten wird aber die relative Phase (zwischen Objekt- und Referenzwelle) aufgezeichnet.

Voraussetzungen für die Aufzeichnung von Hologrammen ist die zeitliche und räumliche Stabilität der durch die Überlagerung der Wellenfelder ausgebildeten Interferenzmuster. Die aufzuzeichnenden Objekte dürfen sich während der manchmal Minuten dauernden Belichtungszeit nicht bewegen. Um ein Hologramm aufnehmen zu können, müssen deshalb die Teile der Aufnahmeapparatur und das Objekt räumlich fixiert werden. Meist wird der komplette holographische Aufbau oder zumindest Teile davon auf einen schwingungsfreien Tisch montiert. Solch ein Tisch besitzt eine große Masse, oft mehrere Tonnen Beton oder schwere Steinplatten, auf mechanisch oder pneumatisch gedämpften Füßen. Allerdings können gepulste Laser für kurze Zeit einen so intensiven Lichtstrahl erzeugen, dass ein Hologramm auch in einigen Nanosekunden aufgenommen werden kann. In diesem Fall wirken sich die Schwingungen nicht auf die Bildqualität aus.

Entwickelt man nun den Film, so werden die belichteten Stellen schwarz, es gibt also ein Interferenzmuster von schwarzen Linien; dazwischen ist nichts aufgezeichnet, es ist also nur der durchsichtige Film zu sehen. Die Linien sind sehr nahe beieinander, und ein normaler Fotofilm wäre nicht in der Lage, solch feine Strukturen aufzuzeichnen. Mit bloßem Auge sind sie nicht zu erkennen.

Rekonstruktion

Bei der Rekonstruktion beleuchtet man die holografische Fotoplatte mit einer Welle, die mit der Referenzwelle identisch ist. Dabei wird das Licht am Interferenzmuster gebeugt, und es entsteht die exakte Wellenfront der Objektwelle. Hinter dem Hologramm (mit Blick in Richtung Fotoplatte und Lichtquelle) sieht man also den abgebildeten Gegenstand wie durch ein Fenster. Daher nennt man solche Hologramme auch Transmissions- oder Durchlichthologramme, weil Laser und Betrachter auf verschiedenen Seiten stehen.

Da auch das ganze Wellenfeld vor und hinter dem aufgezeichneten Objekt rekonstruiert wird, können die Augen das Abbild jeweils aus leicht verschiedenen Richtungen (Augenabstand) sehen. Das Gehirn ist dadurch in der Lage, einen räumlichen Eindruck herzustellen. Dieser wird dadurch weiter verstärkt, dass man sich sogar im Wellenfeld hin- und herbewegen und so den Gegenstand aus verschiedenen Richtungen und, in begrenztem Ausmaß, auch um ihn herum sehen kann.

Jeder Punkt des abgebildeten Objektes beeinflusst das Wellenmuster des gesamten holografischen Bildträgers. Wenn also ein Hologramm zerteilt wird, kommt bei der Rekonstruktion noch immer das ganze Bild zustande. Das Aufteilen des Hologramms in einzelne Stücke führt lediglich zu einer Verschlechterung der Auflösung des Bildes und zu einer Verringerung des ansehbaren räumlichen Bildwinkels.

Hologrammtypen

Allgemein lassen sich Hologramme nach den Eigenschaften des Films in Volumen- und Flächenhologramme sowie in Amplituden- und Phasenhologramme einteilen. Abhängig von den auftretenden Farben bei der Rekonstruktion der holografischen Bilder unterscheidet man Weißlichthologramme und Hologramme, die nicht unter weißem Licht rekonstruiert werden können, sowie echtfarbige Hologramme.

Volumenhologramme befinden sich auf einem Film, dessen Dicke ebenfalls zur Speicherung von holografischen Informationen genutzt wird. Nur Volumenhologramme können Weißlichthologramme sein, denn wegen der Bragg-Bedingung findet in diesem Fall eine für die Wellenlängen des Lichts selektive Interferenz statt.

Nur wenn die Bragg-Gleichung $n\cdot \lambda =2d\sin \alpha$ erfüllt ist, kann das im Winkel $\alpha$ einfallende Licht mit der Wellenlänge $\lambda$ am Film mit dem Netzebenenabstand $d$ reflektiert werden. Bei Weißlichtreflexionshologrammen hängt deshalb die Farbe des Hologramms vom Einfallswinkel des Lichts auf den Film ab.

Echtfarbige Hologramme können unter Verwendung von Weißlichtlasern hergestellt werden. Weißes Laserlicht lässt sich durch additive Farbmischung der drei Grundfarben rot, grün und blau erzeugen. Der holografische Film muss bei echtfarbigen Hologrammen für alle Farben empfindlich sein, was von den meisten handelsüblichen Filmen nicht geleistet wird. Bei der Rekonstruktion von echtfarbigen Transmissionshologrammen muss beachtet werden, dass das Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen und Farben verschieden stark gebeugt wird. Daher müssen die für die Rekonstruktion verwendeten Laser einen bestimmten, von der jeweiligen Wellenlänge abhängigen Winkel zum Film haben, so dass die einzelnen roten, grünen und blauen Bilder am gleichen Ort entstehen. Alternativ zur Verwendung eines Weißlichtlasers können holografische Filme auch nacheinander mit den drei farbigen Lasern belichtet werden. Bei einer Variante der Mehrfachbelichtung ist auch die Verwendung von Filmmaterial möglich, das nur für eine Wellenlänge empfindlich ist. Dabei wird die Tatsache genutzt, dass die bei der Rekonstruktion reflektierte Wellenlänge von der zur Aufnahme verwendeten Wellenlänge abweicht, wenn die Filmschicht nach der Aufnahme ihre Dicke ändert. Man lässt dazu den Film vor der Belichtung z. B. in einer Lösung mit einer definierten Konzentration von Triethanolamin aufquellen. Dies kann man mit unterschiedlichen Konzentrationen vor jeder weiteren Belichtung wiederholen. Beim Entwickeln schrumpft der Film wieder, so dass bei Beleuchtung mit weißem Licht mehrere Wellenlängen rekonstruiert werden.

Amplitudenhologramme befinden sich auf Filmen, die unterschiedliche Schwärzungen besitzen. Dadurch wird die Helligkeit des durchgelassenen Lichtes so verändert, dass durch die Überlagerung der Lichtwellen mit unterschiedlicher Amplituden und Phasen ein Bild entsteht. Die Filme der Phasenhologramme besitzen dagegen überall die gleiche Transparenz. Das Interferenzmuster, das die holografischen Bilder erzeugt, kommt dann nur durch die unterschiedlichen Phasen der elektromagnetischen Wellen zustande. Phasenhologramme können daher durch Oberflächenreliefs gebildet werden, d. h. aus einem Muster aus Vertiefungen und Erhebungen. Dann legen die Lichtstrahlen unterschiedliche Wege in dem Filmmaterial, das meist aus Kunststofffolie besteht, zurück. Das Licht besitzt in dem Film eine geringere Ausbreitungsgeschwindigkeit als an der Luft, deshalb führen verschiedene im Film zurückgelegte Lichtwege zu Phasendifferenzen. Darauf beruht die Interferenz bei Phasenhologrammen. Phasenhologramme sind oft Prägehologramme, bei denen die Vertiefungen mit einem Stempel in das Material gedrückt werden; es können aber auch bei speziellen Filmen Vertiefungen durch unterschiedliche Belichtung entstehen. Neben der Möglichkeit einer Phasenmodulation durch Oberflächenreliefs kann ein Phasenhologramm durch eine örtliche Modulation des Brechungsindexes wie z. B. in Silberhalogenidfilmen erzeugt werden.

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  Aufnahme eines Transmission­hologramms

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  Aufnahme eines Reflexions­hologramms

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  Aufnahme eines Denisjuk-Hologramms

Legende:
1: Laser
2: Spiegel
3: Strahlteiler
4: Streulinse
5: Referenzstrahl
6: Objektstrahl
7: Holografischer Film

Transmissionshologramme

Transmissionshologramme befinden sich auf lichtdurchlässigen Filmen, d. h., sie transmittieren das Licht. Bei der Aufnahme trifft ein Teil des Laserstrahls unverändert als Referenzstrahl auf den Film, der andere Teil trifft auf den Gegenstand und wird von ihm auf den Film reflektiert. Referenzstrahl und Objektstrahl treffen von der gleichen Seite auf den Film und erzeugen dort ein Interferenzmuster, das aufgenommen wird.

Für die Rekonstruktion des Bildes muss das Transmissionshologramm von hinten mit einer kohärenten Lichtquelle durchleuchtet werden. Wenn ein entwickeltes Transmissionshologramm aber nur mit dem Referenzstrahl belichtet wird, dessen Winkel dem bei der Aufnahme des Hologramms entspricht, dann entstehen auf der nichtbeleuchteten Seite des Films durch das Interferenzmuster divergierende Strahlen, die der Verlängerung der Objektstrahlen bei der Aufnahme entsprechen. Aufgrund dieser auseinandergehenden Strahlen erscheint ein virtuelles Bild hinter dem Hologramm, also auf der beleuchteten Seite. Vor dem Hologramm entsteht gleichzeitig ein reelles Bild, denn es entstehen aus den gebeugten Lichtwellen auch konvergierende Strahlen. Von jedem Bildpunkt auf dem Hologramm gehen ein Strahl des virtuellen Bilds als Verlängerung des ursprünglichen Objektstrahls und ein Strahl des reellen Bilds aus, wobei die beiden Strahlen denselben Winkel zum Film haben. Die beiden Bilder können daher nur von unterschiedlichen Blickwinkeln gesehen werden, sie können sich auch teilweise überlagern. Jeder Punkt des reellen Bilds hat den gleichen Abstand zum Film wie der entsprechende Punkt des virtuellen Bildes. Im reellen Bild erscheinen die im originalen Objekt nahen Punkte deshalb entfernt, die fernen Punkte scheinen im Bild vorn zu sein. Diese Umkehrung wird Pseudoskopie genannt, während das virtuelle Bild die wahren Abstände zeigt und daher orthoskopisch heißt.

Reflexionshologramme

Reflexionshologramme reflektieren das einfallende Licht, so dass die Lichtquelle im Gegensatz zu Transmissionshologrammen auf der Seite des Betrachters sein kann. Bei Reflexionshologrammen wird der Laserstrahl mit Strahlteilern geteilt. Ein Teilstrahl trifft als Referenzstrahl nach der Auffächerung mit einer Streulinse auf den holografischen Film, der andere Strahl wird auf den Gegenstand gerichtet. Dieser reflektiert den Lichtstrahl auf die andere Seite des Films. Objektstrahl und Referenzstrahl treffen von unterschiedlichen Seiten auf den Film und bilden in ihm ein Interferenzmuster, das den Film belichtet. Reflexionshologramme sind in jedem Fall Volumenhologramme, d. h., die Dicke des Aufnahmematerials wird zur Speicherung des holografischen Bilds genutzt. Es entstehen in dem Film verschiedene Netzebenen, die durch die an den Interferenzmaxima belichteten Stellen des Filmmaterials gehen. Die Netzebenen reflektieren bei der Rekonstruktion des Hologramms das einfallende Licht so zurück, dass ein Bild des Gegenstands entsteht. Reflexionshologramme sind wegen der Bragg-Bedingung Weißlichthologramme.

Denisjuk-Hologramme

Denisjuk-Holografie: Aufbau einer Aufnahme

Im Jahr 1963 erfand der sowjetische Physiker Juri Nikolajewitsch Denisjuk ein einfacheres Verfahren, Reflexionshologramme herzustellen. Bei der Denisjuk-Holografie wird im Gegensatz zur normalen Reflexionsholografie der Laserstrahl nicht geteilt. Der Laserstrahl wird durch eine Konvexlinse aufgefächert und durchleuchtet als Referenzstrahl den holografischen Film. Hinter dem Film befindet sich das aufzunehmende Objekt, das den Referenzstrahl teilweise zurück zum Film reflektiert. Der entstehende Objektstrahl und der Referenzstrahl treffen von unterschiedlichen Seiten auf den Film und interferieren, wodurch in ihm ein stehendes elektromagnetisches Wellenfeld entsteht, das vom Film aufgenommen wird. Denisjuk-Hologramme können wie alle Reflexionshologramme unter weißem Licht rekonstruiert werden.

Bildebenenhologramme

Bildebenenhologramme sind Reflexionshologramme und haben die Eigenschaft, dass ihre holografischen Bilder in der Filmebene zu schweben scheinen. Dieser Effekt beruht darauf, dass das Bild sowohl vor als auch hinter der Hologrammebene entsteht.

Für die Herstellung muss zunächst ein Transmissionshologramm (Master) von einem Gegenstand aufgenommen werden, dieses wird dann auf den Film des Bildebenenhologramms kopiert. Dazu wird das aufgenommene Masterhologramm unter monochromatischem Licht rekonstruiert. Der Bildebenen-Film wird in das reelle Bild des Masters gestellt und zusätzlich mit einem Referenzstrahl beleuchtet.

Nach der Belichtung kann das Hologramm ein Bild auf jeder Seite des Films virtuell und gleichzeitig reell zeigen. Das virtuelle Bild entsteht durch Verlängerung der divergierenden Strahlen und ist deshalb hinter dem Film, das reelle Bild befindet sich vor dem Film. Es entsteht der Eindruck, dass sich das Bild teilweise hinter und vor dem Film befindet, weil man das reelle und virtuelle Bild gleichzeitig sieht.

Regenbogenhologramme

Regenbogenhologramme sind ebenfalls Reflexionshologramme und werden ähnlich wie die Bildebenenhologramme mit Hilfe eines Masters hergestellt. Es wird das Objekt als Transmissionshologramm (Master) aufgenommen, und dieses wird rekonstruiert. In das virtuelle Bild des Masters wird nun der Film für das Regenbogenhologramm gestellt. Dabei wird aber der Master so abgedeckt, dass nur ein kleiner, horizontaler Spalt Licht durchlässt. Wegen des schmalen Spaltes fehlt bei dem Regenbogenhologramm die Räumlichkeit in der vertikalen Richtung. Weil die Spektralfarben des Lichts mit größerer Wellenlänge stärker gebeugt werden, erscheint das Regenbogenhologramm wie bei einem Regenbogen in den Farbübergängen von rot bis blau. Wenn man das Regenbogenhologramm unter monochromatischem Licht betrachtet, ist nur ein kleiner Ausschnitt des Bildes zu sehen.

Multiplexhologramme

Multiplexhologramme bilden bewegte Bilder auf einem Film ab. Um sie herzustellen, wird zuerst ein Videofilm gedreht, von dem dann jedes Bild holografisch kopiert wird. Die Hologramme der Videobilder werden der Reihenfolge nach als 2 bis 6 mm breite Streifen auf einen holografischen Film aufgenommen. Weil die Streifen eine geringe Breite haben, wirken sie allein nicht räumlich; die Dreidimensionalität entsteht erst durch stereoskopisches Sehen. Wenn der Betrachter an eine andere Stelle auf das Multiplexhologramm blickt, dann sieht er die Streifenhologramme eines anderen Videobilds und erkennt die mit dem Video aufgenommenen Bewegungen. Dadurch können bewegte Bilder in dem Hologramm festgehalten werden.

Computergenerierte Hologramme

Computergenerierte Hologramme (CGH) haben den Vorteil, dass sie sehr exakt sind, viele Abbildungsfehler vermieden werden und kein Gegenstand für die Aufnahme benötigt wird. Die Berechnung von Hologrammen eignet sich bei mathematisch exakt beschreibbaren Formen, wie Firmenlogos und holografisch-optischen Bauelementen. Meist wird von jedem Punkt des Objektes ein Hologramm (Fresnel’sche Zonenplatte) berechnet; diese Hologramme werden dann abhängig von der Anordnung der Punkte überlagert. Daraus entsteht ein Interferenzmuster, das vom Computer auf die Fertigungsmaschinen übertragen wird. Häufig werden von den berechneten Hologrammen Stempel hergestellt, um Prägehologramme zu erzeugen.

Digitale Holografie

Als Weiterführung der Aufnahmetechnologie kann die sogenannte „digitale Holografie“ bezeichnet werden. Hier wird der fotochemische Aufnahmeprozess durch eine hochauflösende elektro-optische Kamera ersetzt. Die Rekonstruktion des Bildes erfolgt danach digital, also durch numerische Rekonstruktion gemäß der Ausbreitungsgesetze des Lichtes (Beugungstheorie). Unterschiedliche Vereinfachungen zur Beschleunigung des Berechnungsprozesses und Nachverarbeitungsschritte erlauben eine vollständige, dreidimensionale Rekonstruktion des Objektes. Dieses Verfahren wird häufig in der holografischen Mikroskopie eingesetzt.

Aufnahmematerial

Holografische Filme können wie die herkömmlichen Filme für die Fotografie aus einem Gel bestehen, in dem sich Silberhalogenide befinden. Die Silberhalogenide zerfallen unter Lichteinwirkung in Silberkristalle und freie Halogene. Die fein verteilten Silberkristalle bewirken eine Schwärzung des Films bei Intensitätsmaxima, die abhängig vom Interferenzmuster bei der Aufnahme des Hologramms sind. Auf diese Weise entsteht ein Amplitudenhologramm. Die belichteten Filme werden wie bei normaler Fotografie in verschiedenen Bädern entwickelt. Allerdings müssen die Silberkristalle bei holografischen Filmen wesentlich kleiner sein, um die nötige Auflösung zu ermöglichen. Setzt man Bleichprozesse ein, so können örtliche Verteilungen von Silberhalogenidkristallen erzeugt werden, die keine Absorption, jedoch einen abweichenden Brechungsindex aufweisen. Auf diese Weise können Phasenhologramme entwickelt werden.

Fotolacke (Fotoresist) verändern sich bei der Belichtung so, dass ein Teil verfestigt wird und der restliche Fotolack entfernbar ist. Bei Positivlacken bleiben die unbelichteten Bereiche fest, bei Negativlacken verfestigen sich die belichteten Bereiche. Wenn der ablösbare Anteil entfernt wird, bleiben nur die festen Fotolack-Bereiche als Erhöhungen im holografischen Film. Durch die Erhöhungen und Vertiefungen im Film entsteht ein Relief, weshalb bei der Verwendung von Fotolacken Phasenhologramme entstehen. Diese Filme eignen sich gut als Vorlagen für Stempel, mit denen Prägehologramme hergestellt werden.

Einige Stoffe ändern ihren Brechungsindex in Abhängigkeit von der Belichtung wegen des photorefraktiven Effekts. Beispiele für photorefraktive Aufnahmematerialien sind Lithiumniobat, Bariumtitanat und Galliumarsenid.

Dichromatgelatine ermöglicht hohe Auflösungen und ermöglicht sehr helle Transmissions- und Reflexionshologramme. Das Material ist am empfindlichsten für violettes bis grünes Licht und reagiert nicht auf rotes Licht. Eine Sensibilisierung für rotes Licht kann durch Beigabe von Farbstoffen erreicht werden. Dichromatgelatine benötigt bei der Belichtung eine hohe Lichtintensität. Sie ist außerdem sehr empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperaturschwankungen und Feuchtigkeit, es können aber Hologramme mit sehr hoher Qualität hergestellt werden. Die Luftfeuchtigkeit beschädigt die Dichromatgelatine, deshalb muss das Hologramm versiegelt werden, indem der Film auf eine Glasplatte geklebt wird.

Bei Fotopolymeren wird die Polymerisation durch Belichtung hervorgerufen. Dadurch verändern sich die optischen Eigenschaften wie der Brechungsindex, und ein Hologramm entsteht. Die Fotopolymere werden fixiert, indem sie mit einer inkohärenten Lichtquelle beleuchtet werden. Fotopolymere sind für die Herstellung von Transmissions- und Reflexionshologrammen geeignet.

Anwendungen

Holografisch-optische Bauelemente (HOE)

Holografisch-optische Bauelemente sind Elemente, deren holografische Eigenschaften für die Optik von Geräten verwendet werden. Es lassen sich mit Hologrammen herkömmliche Linsen, Spiegel und Prismen ersetzen; von besonderem Vorteil sind aber oft die zusätzlichen holografischen Eigenschaften. Das einfachste holografische Bauelement ist die Fresnelsche Zonenplatte, die wegen ihrer Eigenschaften auch Zonenlinse genannt wird. Eine Zonenlinse ist das Hologramm eines Punktes und wirkt daher als Transmissionshologramm gleichzeitig wie eine Sammellinse, wenn das reelle Bild betrachtet wird, und eine Streulinse, wenn man vom virtuellen Bild ausgeht. HOEs haben spezielle Eigenschaften wie zum Beispiel die Selektivität der Farbe und des Einfallswinkels von Licht. Die Bauelemente können zum Beispiel für einen bestimmten Einfallswinkel das Licht brechen, für die anderen aber vollkommen transparent sein. Die unterschiedliche Beugung des Lichtes abhängig von seiner Wellenlänge ermöglicht die Aufspaltung in Spektralfarben wie bei Prismen. Es ist möglich, mit Hilfe von Reflexionshologrammen planare Spiegel, Hohlspiegel oder Wölbspiegel zu konstruieren, die beispielsweise das Licht so reflektieren, dass der Einfallswinkel anders als der Ausfallswinkel ist.

Zur Anwendung kommen HOEs in Barcodescannern, Laserscannern und in Head-up-Displays. Das Modell 3687 des Strichcodescanners vom Unternehmen IBM enthält zum Beispiel aus Dichromatgelatine hergestellte Hologramme, um die Codes schneller und zuverlässiger lesen zu können. Die Vorteile von HOEs sind, dass sie im Gegensatz zu den konventionellen aus Glas oder Kunststoff gefertigten optischen Elementen leichter, wegen der nicht notwendigen Krümmung wesentlich flacher und zugleich sehr transparent und exakt sind. Allerdings sind die Hologramme noch relativ teuer und empfindlicher im Vergleich zu den gläsernen Elementen.

HOEs können zudem andere Spektralbereiche der elektromagnetischen Wellen beeinflussen. Entweder werden dafür die Hologramme durch Belichtung mit zum Beispiel Röntgenstrahlung auf einem geeigneten Film hergestellt, oder die Interferenzmuster von für sichtbares Licht selektiven Hologrammen werden durch Quellmittel so verändert, dass sich ihre Selektivität in andere Spektralbereiche verschiebt.

Echtheitszertifikate

Der Kinegrammstreifen auf einem 5-Euro-Schein

Hologramm mit der Abbildung einer Taube auf einer Kreditkarte

Zum Schutz vor Fälschungen werden auf die meisten Geldscheine und Pässe Hologramme oder Kinegramme aufgedruckt, weil diese nur sehr schwer zu kopieren sind. Diese Technik wird auch bei Tickets für Sport- und Musikveranstaltungen verwendet. Hologramme und Kinegramme werden häufig verwechselt; Hologramme zeigen 3D-Bilder (z. B. auf EC- oder Kreditkarten), Kinegramme dagegen 2D-Bewegungsabläufe bei sich änderndem Blickwinkel.

In Entwicklung sind Verfahren, bei denen Hologramme zum Fälschungsschutz mit Sprengstoff in Stahlbauteile eingeprägt werden.

Medizin

In der Medizin wird an Verfahren zur dreidimensionalen Gesichtsprofilvermessung mit Holografie geforscht. Bei Operationen im Gesicht sind sorgfältige Planungen notwendig, wofür das Gesicht ausgemessen werden muss. Herkömmliche Verfahren erwiesen sich als aufwendig und wegen der unwillkürlichen Bewegungen der Patienten als ungenau. Hologramme von Gesichtern, die mit gepulsten Lasern in 25–35 Nanosekunden aufgenommen werden, geben exakte Informationen über die Maße und die räumliche Tiefe des Gesichtes. Um die Daten auf den Computer zu übertragen, wird von jeder räumlichen Ebene des holografischen Bildes eine Kameraaufnahme angefertigt. Die entstehenden Schnittbilder können am Computer zusammengefügt und analysiert werden. Ebenfalls von Bedeutung für chirurgische Eingriffe ist die in Entwicklung befindliche holografische Endoskopie.

Holografische Endoskopie

Mit holografischer Endoskopie wird es möglich, räumliche Bilder aus dem Körperinneren oder von schwer zugänglichen Stellen in Maschinen zu übertragen. Der wichtigste Vorteil gegenüber der konventionellen Endoskopie ist aber die Möglichkeit, interferometrische Messsysteme in die Endoskope zu integrieren. Damit können Schwingungen und Verformungen in Bauteilen oder in der Medizin an Organen sichtbar gemacht werden. Es werden für die holografische Endoskopie gepulste Laser verwendet, d. h., es kann auch eine hohe zeitliche Auflösung der Bilder erreicht werden. Das Institut für Technische Optik der Universität Stuttgart entwickelte bereits Prototypen für diese Endoskope.

Archäologie

Mit holografischen Aufnahmegeräten ist es möglich, Hologramme von archäologischen Fundstücken zu erstellen. Die Hologramme können dann am Computer weiterverarbeitet werden. Es entfällt der Aufwand für den Transport der Fundstücke, der ein Beschädigungsrisiko darstellt. Die Auswertung der Hologramme kann an einem anderen Ort erfolgen, denn sie enthalten alle räumlichen Informationen über die Gegenstände. Außerdem lassen sich die Bilder mehrerer Bruchstücke, beispielsweise von Tongefäßen, am Computer zusammenfügen. An der Universität Münster werden zum Beispiel sehr hochauflösende und echtfarbige Hologramme von alten Keilschrifttafeln erstellt, um sie am Computer zusammenzufügen und ihre Lesbarkeit zu erhöhen. Das Forschungszentrum caesar nahm unter anderem eine 2000 Jahre alte Moorleiche holografisch auf, um später das Gesicht zu rekonstruieren.

Holografische Interferometrie

Mit Hilfe der holografischen Interferometrie ist es möglich, kleinste Verformungen oder Bewegungen von Objekten zu messen. Dabei kommen drei verschiedene Verfahren zum Einsatz:

Beim Doppelbelichtungsverfahren wird von einem Gegenstand vor und nach seiner Verformung ein Hologramm auf denselben Film aufgenommen. Die unveränderten Punkte des Gegenstandes verursachen bei den beiden Aufnahmen eine gleiche Belichtung auf dem Film, weshalb er an den entsprechenden Stellen stärker belichtet wird.

Beim Zeitmittelungsverfahren (Time-Average-Holografie) nimmt man einen sich bewegenden Gegenstand während des Veränderungsvorganges als Hologramm auf. Man kann damit Schwingungen sichtbar machen, indem man sich zunutze macht, dass ein schwingendes Objekt sich in seinen Umkehrpunkten länger aufhält als an den übrigen Punkten. Das Verfahren wird zur Optimierung von Klangkörpern bei Musikinstrumenten, zur Geräuschminimierung bei der Motorenherstellung sowie zur Beseitigung von Vibrationen in Präzisionsmaschinen verwendet.

Das Echtzeitverfahren ermöglicht es, die Verformungen eines Gegenstands in Echtzeit zu beobachten. Dafür wird zuerst ein Hologramm des Gegenstands vor der Veränderung angefertigt. Durch die Überlagerung des Originalhologramms mit dem Bild des veränderten Objektes entstehen Interferenzstreifen. Diese lassen sich auch quantitativ auswerten und geben somit Aufschluss über geringste Deformationen in der Größenordnung der verwendeten Lichtwellenlänge. So lassen sich zum Beispiel thermische Ausdehnungen oder Vibrationen in mechanischen Systemen ausmessen.

Holografische Interferometrie wird zum Beispiel angewendet, um Reifenformen bei unterschiedlichen Drücken zu vergleichen. Das Messverfahren eignet sich gut für die Schwingungsanalyse, denn durch Ausmessen der Schwärzungen auf dem holografischen Film lassen sich die Wellenlängen bestimmen. Die Verformungen von z. B. Flugzeugflügeln und anderen Bauteilen unter Wärmezufuhr oder Belastung lassen sich mit dem Doppelbelichtungsverfahren oder dem Echtzeitverfahren visualisieren. Mit dem Doppelbelichtungsverfahren lässt sich die Wachstumsgeschwindigkeit von Pilzen in nur wenigen Sekunden bestimmen, so dass der Nährstoffbedarf für Pilzkulturen berechnet werden kann.

Allerdings wird die Holografische Interferometrie auf Basis von auf Filmmaterial gespeicherten Hologrammen fast nur noch im Labor eingesetzt, da der Aufnahme- und Entwicklungsprozess sehr störanfällig ist und relativ lange dauert. Stattdessen werden Weiterentwicklungen eingesetzt: In der Elektronischen Speckle-Interferometrie (ESPI) werden Bilder der zu untersuchenden Objekte in der Bildebene so mit der Referenzwelle überlagert, dass die bei der Interferenz entstehenden Ortsfrequenzen mit einem CCD-Sensor aufgezeichnet werden können. Die Korrelation von in unterschiedlichen Lastzuständen aufgezeichneten Interferogrammen ergibt dann ähnliche Streifenmuster wie in der Holografischen Interferometrie. Eine Weiterentwicklung (oder Variante) des ESPI-Verfahrens ist die Shearografie. Diese Methode ist sehr robust im Hinblick auf Erschütterungen, da die interferierenden Teilwellen beide über das Objekt geführt werden. Schließlich wird auch die Digitale Holografie (siehe oben) zur interferometrischen Messung von Verformungen eingesetzt.

Röntgenholografie

Am Berliner Synchrotron BESSY ist es Wissenschaftlern erstmals gelungen, Hologramme von Nanostrukturen aufzunehmen. Dazu wurde intensive Röntgenstrahlung verwendet. So konnten die magnetischen Domänen in einem Cobalt-Platin-Film mit einer Auflösung von 50 Nanometern abgebildet werden. Da Röntgenstrahlung mit einem beträchtlichen kohärenten Anteil in Form von Synchrotronstrahlung an eigens dafür gebauten Synchrotronstrahlungsquellen und insbesondere an Freie-Elektronen-Lasern zunehmend zur Verfügung steht, findet Röntgenholografie als hochauflösendes Abbildungsverfahren zunehmend Verbreitung.

Kunst

Die Holografie ist auch aufgrund der faszinierenden räumlichen Darstellung in der Kunst verbreitet. Lloyd Cross war im Jahre 1971 Mitbegründer der ersten Schule für Holografie in Kalifornien. Im Jahr 1978 schuf Steven A. Benton wohl eines der prägendsten Regenbogen-Transmissionshologramme der damaligen Zeit. Es trägt den Titel „Rind II“ und zeigt in Anlehnung an M. C. Escher einen menschlichen Kopf, der aus einem flachen Band entsteht. Es entstanden Museen wie beispielsweise in Deutschland das Holarium in Esens (Niedersachsen) und das Museum für Holografie in Nordrhein-Westfalen. Das von Matthias Lauk gegründete Museum für Holografie in Pulheim war über viele Jahre Zentrum der deutschen Holografie-Szene. Mittlerweile ist die ehemalige „Sammlung Lauk“ im LVR-Landesmuseum Bonn beheimatet, wo sie aus konservatorischen Gründen nur noch gelegentlich gezeigt wird. Bereits in den 1980er Jahren gründete der Holograph Detlev Abendroth die AKS-Holographie Galerie in Essen.

Die Holografiekunst ist eine Form der Medienkunst. Das Zentrum für Kunst und Medientechnologie (ZKM) in Karlsruhe besitzt europaweit eine der größten Sammlungen an künstlerischer Holografie.

Sonstige Anwendungen

Die konoskopische Holografie ist ein optisches Messprinzip für die berührungslose Messung von Formabweichungen.

Holografische Speicher gibt es für analoge Bilddaten oder digitale Daten. Digitale Informationen werden als zweidimensionale Bitmuster aufgenommen.

Literatur

• Fred Unterseher, Jeanenne Hansen, Bob Schlesinger: Handbuch der Holographie. Popa-Verlag, München Frankfurt 1991, ISBN 3-925818-01-4.
• Joseph E. Kasper: The complete book of holograms – how they work and how to make them. Dover Publ., Mineola 2001, ISBN 0-486-41580-5.
• Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 2. Elektrizität und Optik. 3., überarbeitete und erweiterte Auflage. Springer, Berlin Heidelberg New York 2004, ISBN 3-540-20210-2.
• Ernst Peter Fischer: Laser – Eine deutsche Erfolgsgeschichte von Einstein bis heute. Siedler, München 2010, ISBN 978-3-88680-946-2.
• Gerhard K. Ackermann, Jürgen Eichler: Holography: A Practical Approach. Wiley-VCH, Berlin 2007, ISBN 978-3-527-40663-0.

Weblinks

 Commons: Holography – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Hologramm – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Berührbare Hologramme von 3Daround (Bonn)